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Eine Studie zeigt Mechanismen, wie Nanomaterialien in Zellen wirken. Das erleichtert, ihre Toxizität zu verstehen.Bevor Nanomaterialien industriell produziert, angewandt und vermarktet werden, sind sie auf Gesundheitsrisiken zu prüfen – und zwar bisher jedes Nanomaterial separat. Forscher am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung haben nun eine Methode für eine effizientere Untersuchung entwickelt: Sie haben analysiert, welche Arten von Nanomaterialien welche Moleküle und Signalwege in der Zelle beeinflussen. So lassen sich Nanomaterialien anhand ihrer biologischen Effekte in Gruppen zusammenfassen.Für ihre Untersuchung nutzten die Wissenschaftler Epithelzellen aus Rattenlungen, setzten diese Nanomaterialien aus und suchten nach zellinternen Veränderungen. Dazu bestimmten sie mehrere tausend Zellproteine sowie Lipide und Aminosäuren und untersuchten bioinformatisch Signalwege in der Zelle.Ihren Ergebnissen zufolge wirken Nanomaterialien toxisch, indem sie oxidativen Stress auslösen und so bestimmte Proteine in der Zelle regulieren. Diese Schlüsselmoleküle könnten als Biomarker dienen, um die Schädlichkeit schnell und eindeutig nachzuweisen. Zudem fanden die Forscher Zusammenhänge zwischen Eigenschaften der Nanomaterialien und Veränderungen im Zellstoffwechsel: Demnach beeinflussen Nanopartikel mit großer Oberfläche den Zellstoffwechsel anders als solche mit kleiner. Die Ergebnisse sollen helfen, Nanomaterialien durch kleine Veränderungen schon im Herstellungsprozess weniger gesundheitsschädlich zu machen. EL
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1 Part. Fibre Toxicol. 2019, 16, 38</li></ul>

Meldung

Oxidativer Stress durch Nano

Eine Studie zeigt Mechanismen, wie Nanomaterialien in Zellen wirken. Das erleichtert, ihre Toxizität zu verstehen.Bevor Nanomaterialien industriell produziert, angewandt und vermarktet werden, sind sie auf Gesundheitsrisiken zu prüfen – und zwar bisher jedes Nanomaterial separat. Forscher am Helm...

Bisher gab es keine praktikable Methode, eine Methanolvergiftung in Minutenschnelle zu diagnostizieren. Ein kürzlich entwickelter Gassensor erlaubt dies nun mit einem einzigen Atemstoß. Der Detektor passt auf eine Handfläche und erkennt Methanol auch in gepanschtem Schnaps.
Jedes Jahr sterben hunderte Menschen durch Trinkalkohol, der mit Methanol verunreinigt ist.1) Einmal getrunken, wandelt der Körper Methanol in Ameisensäure und Formaldehyd um, die Organe und Nerven irreversibel schädigen. Bereits wenige Milliliter Methanol können daher zum Tod führen.Methanol gelangt hauptsächlich über zwei Wege in alkoholische Getränke: Zum einen entsteht es natürlicherweise durch alkoholische Gärung und verbleibt im Getränk, wenn es nicht korrekt destilliert wird.2) Zum anderen ist Methanol billiger als Ethanol, weshalb alkoholische Getränke illegal mit Methanol gepanscht werden. Beide Ursachen sind vor allem in Entwicklungs- und Schwellenländern verbreitet.3) So starben beispielsweise im Dezember 2019 mindestens 11 Personen auf den Philippinen, nachdem sie methanolhaltigen Kokosnusswein getrunken hatten.4) Mehr als 300 Personen wurden in umliegende Krankenhäuser eingeliefert. Zudem starben 27 Menschen im Iran diesen März nach Konsum von verunreinigtem Alkohol beim Versuch, sich vor einer Covid-19-Infektion zu schützen.5)Eine Methanolvergiftung erfordert rasche Behandlung, um die Gesundheitsschäden möglichst gering zu halten.6) Derzeit wird eine Methanolvergiftung durch Chromatographie von Blutproben oder durch Blutgasanalyse diagnostiziert. Dies ist zeitaufwendig. Der eindeutige Befund durch Chromatographie des Bluts dauert normalerweise mehrere Stunden bis Tage, da die Proben oftmals an ein externes klinisches Labor gesendet werden müssen. Blutgasanalyse ist schneller (unter einer Stunde), aber häufig auch nicht in den Spitälern von Entwicklungsländern vorhanden, ebenso wie teure analytische Laborausrüstung.7)Daher sind günstige und tragbare Geräte erforderlich, die eine schnelle Diagnose vor Ort ermöglichen.Hohe Methanolkonzentrationen im Blut spiegeln sich im Atem wider,8) daher eignen sich Gassensoren für die Diagnose. Jedoch war bisher eine Methanolmessung in der Atemluft unmöglich, da Sensoren auch auf Ethanol reagieren. Und das liegt bei einer Methanolvergiftung typischerweise gleichzeitig in hoher Konzentration in der Atemluft vor.<h2>Gassensoren mit Nanotechnik</h2>Moderne chemoresistive Gassensoren sind klein, günstig und einfach anzuwenden.9) Dabei ändert sich die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitermaterialien abhängig von ihrer chemischen Umgebung. Gasmoleküle reagieren beispielsweise mit Sauerstoff- und Hydroxylgruppen, die auf der Sensoroberfläche gebunden sind, zu Verbrennungsprodukten wie CO, CO2 oder CH4. Dabei gelangen Elektronen in das Halbleitermaterial, und dessen elektrische Leitfähigkeit steigt, was als Sensorsignal ausgelesen wird.Sensoren aus Nanomaterialien mit großer Oberfläche (typischerweise über 50 m2 · g–1) können selbst Molekülkonzentrationen von parts per billion (ppbv) innerhalb von Sekunden reversibel detektieren.10) Allerdings sind sie oft nicht selektiv genug für die Anwendung.11) Insbesondere Moleküle mit den gleichen funktionellen Gruppen wie Methanol und Ethanol interagieren ähnlich mit der Oberfläche der Sensorpartikel, was zu nicht unterscheidbaren Sensorsignalen führt.Durch Kontrolle der Größe, Materialzusammensetzung oder Morphologie von Nanopartikeln lassen sich heute hochselektive Sensormaterialien herstellen. So reagiert zum Beispiel Kupferbromid selektiv auf Ammoniak,12) ein Atemmarker für Nieren- und Lebererkrankungen. Ein weiteres Beispiel ist die metastabile ε-Phase von Wolframtrioxid, die selektiv auf Aceton reagiert,13) ein Atemmarker für Fettverbrennung während Sport und Diät.<h2>Selektiver Methanolsensor</h2>Um Methanol selektiv zu messen, wurde eine chemische Trennsäule mit einem chemoresistiven Sensor kombiniert (Abbildung 1a).14) Der Sensor selbst ist 2 × 2 mm groß (Abbildung 1b) und besteht aus palladiumdotierten Zinnoxidnanopartikeln, die durch Flammensprühpyrolyse (FSP) synthetisiert werden. Dabei wird eine organometallische Vorläuferverbindung in feine Tröpfchen zerstäubt und in einer über 2000 °C heißen Flamme verbrannt. Die dadurch entstandenen Nanopartikel sind im Durchschnitt 16 nm groß (gemessen durch Stickstoffadsorption). Sie lagern sich in einem einzigen Prozessschritt durch Thermophorese als hochporöser Dünnschichtfilm aus dem Flammenaerosol auf gekühlten mikroelektronischen Substraten ab (Abbildungen 1c,d).<figure><img src="https://media.graphcms.com/LIU8sYLdRbibBkJwfgtA"><figcaption><label>Abb. 1: </label>a) Methanoldetektor auf einer Hand, b) Mikrosensor ohne Sensorkammer, c, d) Elektronenrastermikroskopaufnahmen der Sensoroberfläche, e) Trennsäule gefüllt mit Sorptionsmittel, f) Elektronenrastermikroskopaufnahme des Sorptionsmittels Tenax TA.</figcaption></figure>
Die Betriebstemperatur des Sensors beträgt 350 °C. Dafür sind nur 80 mW erforderlich, was den Betrieb mit einer Batterie ermöglicht. Die Trennsäule ist ein Teflonröhrchen, gefüllt mit 150 mg des handelsüblichen Polymersorptionsmittels Tenax TA (Abbildung 1e). Auch Tenax TA ist porös und bietet eine große, hydrophobe Oberfläche (Abbildung 1f), um Methanol und Ethanol wie in der Gaschromatographie zu trennen.15)Trennsäulen in Gassensoren dienen bereits dazu, selektiv Isopren zu detektieren, einen Atemmarker für Blutcholesterin.16) Attraktiv sind auch Filtermembranen aus Zeolith, die Moleküle anhand ihrer Größe trennen und den Luftschadstoff Formaldehyd nachweisen.17)Der Sensor allein ohne Trennsäule ist nicht selektiv: Beispielsweise reagiert er ähnlich auf 5 ppmv (parts -per million) Ethanol, Methanol, Wasserstoff und Aceton mit Sensorsignalen zwischen 10 und 20 (Abbildung 2a). Der Sensor kann diese Moleküle somit im Gasgemisch nicht unterscheiden (Abbildung 2b). Durch die Trennsäule werden alle Analyten sequenziell detektiert (Abbildung 2c). Dabei bleibt das Sensorsignal auf Wasserstoff unverändert, da Wasserstoff nicht auf Tenax TA adsorbiert. Methanol wird vom Sensor nach einer Retentionszeit von 1,7 Minuten detektiert, während Ethanol 8,7 und Aceton 33 Minuten auf der Säule bleiben. Im Gasgemisch detektiert der Sensor nun individuelle Signale, die durch die Intensität quantifiziert werden (Abbildung 2d).<figure><img src="https://media.graphcms.com/8qHMliBfQEWtevMy60kN"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Sensormessungen mit synthetischen Gasgemischen. a, b) Sensorsignal ohne Trennsäule bei der Messung einzelner Analyten und deren Mischung; c, d) Sensorsignal mit Trennsäule bei der Messung derselben Analyten.</figcaption></figure>
<h2>Methanol in Schnaps und Atemluft erkennen</h2>Schnaps enthält über 100 und Atemluft über 800 unterschiedliche Moleküle. Um den Methanoldetektor unter realen Bedingungen zu testen, wurde Arrak analysiert.Arrak ist ein indonesischer Reisbrandwein mit 40 Volumenprozent Ethanol, der häufig mit Methanol verunreinigt wird. Abbildung 3a zeigt das Sensorsignal, wenn die Gasphase direkt über Arrak mit verschiedenen Mengen an zugesetztem Methanol gemessen wird. Der Sensor erkennt dabei in allen Fällen die Präsenz von Methanol. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit des Sensors lassen sich selbst Konzentrationen knapp unter und über der (in der EU) zulässigen Grenze von 0,4 Volumenprozent detektieren. Damit ist der Sensor für das Schnapsbrennen interessant. Hier sollte der Methanolgehalt des Destillats während des Brennprozesses kontrolliert werden, um Verunreinigung im Produkt zu vermeiden.<figure><img src="https://media.graphcms.com/JkRluJ2VT4aaB1TcFNbF"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Sensormessungen an realen Proben: a) Signal indonesischen Arraks mit verschiedenen Mengen zugesetztem Methanol. b) Signal des Atems einer betrunkenen Person und derselben Atemluft mit zugesetztem Methanol, dies soll eine Methanolvergiftung simulieren. Die Abbildungen sind adaptiert von van den Broek et al.12) und stehen unter der Creative Commons Lizenz.</figcaption></figure>
Durch Spülen der Trennsäule für 15 Minuten mit Umgebungsluft regeneriert der Sensor vollständig und ist für die nächste Messung bereit. Somit eignet sich dieser Detektor für ein rasches Screening von Alkoholgetränken durch Ersthelfer sowie Behörden und Konsumenten, um Methanolvergiftungen zu verhindern.Zudem wurde der Detektor genutzt, um die Atemluft einer Testperson zu untersuchen, die ein Rumgetränk (äquivalent zu 50 mL reinem Ethanol) zu sich genommen hatte. Der Atem wurde in einen speziellen Probenbeutel aus Polyvinylfluorid entnommen und das Methanol nachträglich zugesetzt. Abbildung 3b zeigt das Sensorsignal für normale und methanolhaltige Atemluft. Auch hier erkennt der Sensor eindeutig das zugesetzte Methanol. Dieser tragbare Sensor könnte somit eine Methanolvergiftung innerhalb von zwei Minuten diagnostizieren.<h2>Nächste Schritte</h2>Derzeit testen wir den Methanolsensor an einer größeren Zahl an Getränken und Probanden. Wir wollen den Sensor kommerzialisieren und sind auf der Suche nach Investoren. In großer Stückzahl produziert, liegen die Kosten pro Sensor unter 100 Euro. Innerhalb eines Jahres könnte der Sensor auf den Markt kommen.<h2>Die Autoren</h2>Jan van den Broek, Jahrgang 1990, ist Doktorand am Particle Technology Laboratory der ETH Zürich. Er entwickelt Sensorsysteme durch Kombination von chemischen Sensoren mit Filtern und testet die Sensorsysteme wenn möglich in realen Bedingungen.<div><img src="https://media.graphcms.com/XIAWioPiRW6JJAF1aULA">

</div>Andreas Güntner, Jahrgang 1987, ist Dozent für Stofftransport, Mikro- und Nanotechnologie und leitet eine Forschungsgruppe für Sensorik am Departement für Maschinenbau und Verfahrenstechnik der ETH Zürich. Außerdem arbeitet er an der Klinik für Endokrinologie, Diabetologie und Klinische Ernährung des Universitätsspitals Zürich. Er designt Sensoren für medizinische Diagnostik, Luftqualitätskontrolle und Sicherheitsanwendungen.<div><img src="https://media.graphcms.com/brLh6tlYRLci5pR5XPhc">

</div><h2>AUF EINEN BLICK</h2>Ein chemoresistiver Gassensor kombiniert mit einer kompakten Trennsäule bestimmt selektiv Methanol.Der Methanolsensor ist kostengünstig, tragbar und funktioniert mit einer Batterie.Messergebnisse sind nach zwei Minuten verfügbar. Damit könnte der Sensor Schäden durch Methanolvergiftungen besser begrenzen als bisherige Nachweismethoden.
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1 Oslo University Hospital, Doctors without borders, The methanol poisoning initiative, <a href="https://legerutengrenser.no/mpi/index.html" target="_blank">https://legerutengrenser.no/mpi/index.html</a>, (Stand 25.02.2020)</li><li>
2 P. Levy, A. Hexdall, P. Gordon, et al., J. Toxicol., Clin. Toxicol. 2003, 41, 23</li><li>
3 H. Hassanian-Moghaddam, N. Zamani, D. M. Roberts et al., Clin. Toxicol. 2019, 1–8</li><li>
4 M. Lim, (CNN), „Toxic coconut wine kills at least 11 people during Christmas celebrations in the Philippines“, <a href="https://edition.cnn.com/2019/12/24/asia/lambanog-poisoning-philippines-intl-hnk-scli/index.html" target="_blank">https://edition.cnn.com/2019/12/24/asia/lambanog-poisoning-philippines-intl-hnk-scli/index.html</a> (Stand 25.02.2020)</li><li>
5 <a href="https://abcnews.go.com/International/27-killed-alcohol-poisoning-iran-protect-coronavirus/story?id=69481841" target="_blank">https://abcnews.go.com/International/27-killed-alcohol-poisoning-iran-protect-coronavirus/story?id=69481841</a></li><li>
6 D. G. Barceloux, G. Randall Bond, et al., J. Toxicol., Clin. Toxicol. 2002, 40, 415</li><li>
7 J. A. Kraut, Clin. Toxicol. 2015, 53, 589</li><li>
8 O. Laakso, M. Haapala, P. Jaakkola, et al., J. Anal. Toxicol. 2001, 25, 26</li><li>
9 A. T. Güntner, S. Abegg, K. Königstein, et al., ACS Sens. 2019, 4, 268</li><li>
10 A. T. Güntner, V. Koren, K. Chikkadi, et al., ACS Sens. 2016, 1, 528</li><li>
11 J. van den Broek, A. T. Güntner, CHIMIA, 2018, 72, 425</li><li>
12 A. T. Güntner, M. Wied, N. J. Pineau et al., Adv. Sci. 2020, 1903390</li><li>
13 A. T. Güntner, N. A. Sievi, S. J. Theodore et al., Anal. Chem. 2017, 89, 10578</li><li>
14 J. van den Broek, S. Abegg, S. E. Pratsinis et al., Nat. Commun. 2019, 10, 4220</li><li>
15 I. Maier, M. Fieber, J. High Resolut. Chromatogr. 1988, 11, 566</li><li>
16 J. van den Broek, A. T. Güntner, S. E. Pratsinis, ACS Sens. 2018, 3, 677</li><li>
17 A. T. Güntner, S. Abegg, K. Wegner, et al., Sens. Actuators, B, 2018, 257, 916</li></ul>

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